JP2015038464A

JP2015038464A - 電流センサ

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Publication number: JP2015038464A
Application number: JP2014008274A
Authority: JP
Inventors: 慎也三戸; Shinya Mito; 一馬竹中; Kazuma Takenaka; 暁之加藤; Akiyuki Katou
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: JP6116061B2; CN104297548B; US20150022199A1; EP2827156A1; KR20150009455A; EP2827156B1; CN104297548A; KR101638234B1; US9459293B2

Abstract

【課題】低消費電力で高感度特性を有し、小型かつ簡素な構造で、位置ずれ誤差を低減できるとともに比較的安価な磁気センサ素子を用いた電流センサを実現すること。
【解決手段】磁界の大きさを電気的信号に変換して出力する磁気センサ素子を用いた電流センサにおいて、
磁気特性曲線が線対称形の４つの磁気センサ素子により形成されたブリッジ回路と、前記各磁気センサ素子に対してバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段とで構成され、前記磁気センサ素子は、被測定電流に対して直交する面内に配置されていることを特徴とするもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサ素子を用いた電流センサに関し、詳しくは、電線を流れる電流の大きさを非接触で検出でき、電流センサと電線との相対位置が変化した場合でも測定誤差を低減できる高感度な電流センサに関するものである。なお、本発明における電線は、バスバーなどの断面形状が円形以外のものも含むものとする。

電流センサの一種に、磁界の大きさを電気的抵抗の変化や起電力などの電気的信号に変換して出力する磁気センサ素子を用いたものがある。

電線を流れる電流の大きさを非接触で検出する場合、電線の中心と電流センサとの相対的な位置がずれると、測定誤差が生じるという問題がある。

そこで、電流センサにおける位置ずれ誤差を低減する方法として、集磁コアあるいは複数の磁気センサ素子を用いることが提案されている。

なお、位置ずれ誤差とは、電流センサと被測定電流が流れる電線との相対的な位置がずれたときに生じる測定誤差のことである。

そして、集磁コアとは、高い透磁率を有する軟磁性金属で形成され、磁束を集める効果の高いものをいう。

図１７は、集磁コアを用いた従来の電流センサの一例を示す構成説明図である（特開２００２−３０３６４２号公報）。図１７において、集磁コア１を用いる場合、ホール素子２は集磁コア１に沿った磁束を測定するため、集磁コア１内で電線３の位置がずれた場合でも、測定する磁束量がほとんど変化せず、結果として測定誤差はほとんど生じない。

ところが、集磁コアを用いた場合には、振動による集磁コアのずれ、集磁コアの錆び、温度変化による集磁コアの特性劣化、集磁コアに起因するセンサの直線性やヒステリシス特性の悪化などにより測定精度が悪化するという問題や、集磁コアを磁気的に不飽和な状態で使用するために集磁コアのサイズを大きくする必要があることから結果としてセンサ自体のサイズが大きくなってしまうなどの問題がある。

図１８は、電線の周囲に複数のホール素子が配置された従来の電流センサの一例を示す構成説明図である（特開２００７−１０７９７２号公報）。図１８において、複数のホール素子４は電線５を中心とした基板６の円周上に配置されていて、円周上で隣り合うホール素子同士は電気的に直列接続されている。

これにより、電線５と電流センサとの相対的な位置のずれにより各ホール素子４の出力は変化するが、これらの変化はホール素子４の出力の和に生じる変化を打ち消すものであり、電線５の位置がずれた場合でも全ホール素子４からの出力の和がほとんど変化することはなく、測定誤差はほとんど生じない。

特開２００２−３０３６４２号公報特開２００７−１０７９７２号公報

しかし、このような従来の構成によれば、ホール素子４の感度が比較的低いことから電流センサとしての感度も低いという問題があり、電流センサとしての感度を少しでも高くするために多くの素子を使用した場合には電流センサ全体のサイズが大きくなって部品点数やコストも増大するという問題がある。

本発明は、これらの課題を解決するものであって、その目的は、低消費電力で高感度特性を有し、小型かつ簡素な構造で、位置ずれ誤差を低減できるとともに比較的安価な磁気センサ素子を用いた電流センサを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
磁界の大きさを電気的信号に変換して出力する磁気センサ素子を用いた電流センサにおいて、
磁気特性曲線が線対称形の４つの磁気センサ素子により形成されたブリッジ回路と、
前記各磁気センサ素子に対してバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段とで構成され、
前記磁気センサ素子は、被測定電流に対して直交する面内に配置されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の電流センサにおいて、
前記磁気センサ素子は、磁界の印加に対して、
電気的抵抗が変化する磁気抵抗素子あるいは電気的インピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の電流センサにおいて、
前記バイアス磁界印加手段は、少なくとも永久磁石を含むことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載された電流センサにおいて、
前記磁気センサ素子は、非磁性体よりなるセンサ基板上に実装されていることを特徴とする。

これらにより、低消費電力で高感度特性を有し、小型かつ簡素な構造で、位置ずれ誤差を低減できるとともに比較的安価な電流センサを実現できる。

本発明に基づく電流センサの一実施例を示す構成説明図である。線対称形の磁気特性曲線ＣＨの説明図である。図１の部分拡大図である。バイアス磁界の説明図である。本発明に基づく電流センサの回路例図である。本発明に基づく電流センサの他の実施例を示す構成説明図である。位置ずれ誤差測定に用いた本発明に基づく電流センサの回路例図である。図７の回路構成による電流センサと電線９との相対的な位置ずれ誤差の測定結果例図である。本発明に基づく電流センサの他の実施例を示す構成説明図である。本発明の他の実施例を示す構成説明図である。本発明の他の実施例を示す構成説明図である。本発明の他の実施例を示す構成説明図である。本発明の他の実施例を示す構成説明図である。本発明の他の実施例を示す構成説明図である。本発明の他の実施例を示す構成説明図である。本発明の他の実施例を示す構成説明図である。集磁コアを用いた従来の電流センサの一例を示す構成説明図である。電線の周囲に複数のホール素子が配置された従来の電流センサの一例を示す構成説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づく電流センサの一実施例を示す構成説明図である。図１において、基板７上には、図２に示すような線対称形の磁気特性曲線ＣＨを有する４つの磁気センサ素子８ａ〜８ｄが、所定の位置関係で取り付けられている。また、基板７には、被測定電流が流れる断面形状が円形の電線９を挿入するための切溝７ａが設けられている。なお、図１では、磁気センサ素子８ａ〜８ｄが実装されるセンサ基板１１は省略している。

基板７は、電線９に対し、基板７の平面が電線９を流れる被測定電流に対して垂直な面となるように設置されている。４つの磁気センサ素子８ａ〜８ｄは、電線９を中心にした破線で示す所定の半径を有する円Ａの円周上であって磁気センサ素子８ａ〜８ｄの最大感度を示す感磁方向がその円Ａの接線方向を向くとともに、円Ａに内接する正方形Ｂの各頂点に位置するように配置されている。

これら４つの磁気センサ素子８ａ〜８ｄには、それぞれ図３に示すようなバイアス磁界印加手段により、矢印Ｃａ〜Ｃｄの方向にバイアス磁界が印加される。円Ａの円周に沿って隣り合う磁気センサ素子８ａ〜８ｄ同士のバイアス磁界の向きは、その円Ａの円周に沿って互いに逆向きである。なお、円Ａは各磁気センサ素子８の感磁方向を示し、実線で示す円Ｄは電線９を流れる被測定電流による磁界の発生方向を示している。

図３は、図１の部分拡大図である。図３において、永久磁石１０は、その磁極方向が、磁気センサ素子８の感磁方向に対して平行になるように配置されている。永久磁石１０と磁気センサ素子８間の距離を非磁性体よりなるセンサ基板１１で適切に調節することで、磁気センサ素子８に最適な大きさのバイアス磁界を印加できる。なお、磁気センサ素子８の両端にはそれぞれ配線パッド１２、１３が取り付けられている。また、楕円Ｅは、永久磁石１０による磁束を示している。

図４はバイアス磁界の説明図であり、（Ａ）はバイアス磁界なしの場合を示し、（Ｂ）はバイアス磁界ありの場合を示している。バイアス磁界なしの場合の動作点が（Ａ）に示すように磁気特性曲線ＣＨの極大値にあるものとすると、（Ｂ）に示すようにバイアス磁界を印加することによって動作点を磁気特性曲線ＣＨ上の任意の点に移動させることができる。

図５は、本発明に基づく電流センサの回路例図である。図５において、図１の円Ａの円周に沿って隣り合う磁気センサ素子同士が電気的に接続され、ブリッジ回路が形成されている。

すなわち、磁気センサ素子８ａの一端は入力端子Ｔ１に接続されるとともに磁気センサ素子８bの一端に接続され、磁気センサ素子８ａの他端は出力端子Ｔ３に接続されるとともに磁気センサ素子８ｄの他端に接続され、磁気センサ素子８ｂの他端は出力端子Ｔ４に接続されるとともに磁気センサ素子８ｃの他端に接続され、磁気センサ素子８ｃの一端は入力端子Ｔ２に接続されるとともに磁気センサ素子８ｄの一端に接続されている。入力端子Ｔ２は共通電位点に接続されている。

図５の回路構成により、出力端子Ｔ３には磁気センサ素子８ａと８ｄの接続点の中点電位Ｖ１が出力され、出力端子Ｔ４には磁気センサ素子８ｂと８ｃの接続点の中点電位Ｖ２が出力されることになる。

図６は本発明に基づく電流センサの他の実施例を示す構成説明図であり、図１の実施例に位置ずれ誤差測定に用いた座標軸を追記したものである。

図７は位置ずれ誤差測定に用いた本発明に基づく電流センサの回路例図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。図７において、ブリッジ回路の出力端子Ｔ３は複数の演算増幅器から構成される計装アンプＡＭＰの非反転入力端子に接続され、出力端子Ｔ４は計装アンプＡＭＰの反転入力端子に接続されている。

計装アンプＡＭＰの出力端子は装置全体の出力端子Ｔ５に接続され、入力端子Ｔ２は磁気センサ素子８ｃと８ｄの接続点および共通電位点に接続されるとともに装置全体の出力端子Ｔ６に接続されている。

図６および図７の構成において、電線９に電流が流れると、４つの磁気センサ素子８ａ〜８ｄにはその電流の大きさとバイアス磁界方向に応じた磁気特性の変化が生じ、ブリッジ回路を構成する各磁気センサ素子８ａ〜８ｄにおける電圧降下の大きさが変化する。これらの電圧降下の大きさの変化に応じてブリッジ回路の各中点電位Ｖ１とＶ２は正負逆向きに変化し、各磁気センサ素子８ａ〜８ｄの特性がすべて等しいものとすると、ブリッジ回路の出力電圧は、１つの磁気センサ素子で測定した場合と比較して４倍になる。

本発明に基づく電流センサと電線９との相対位置がずれた場合について検討する。電流センサと電線９との相対位置がずれたとき、各磁気センサ素子８ａ〜８ｄのうち、電線９との距離が遠くなる磁気センサ素子における磁気特性の変化は小さくなる。一方、その距離が近くなる磁気センサ素子における磁気特性の変化は大きくなる。本発明の電流センサにおいては、所定の方向にバイアス磁界が印加されていることで、電線９が基板と同一の面内のいずれの方向にずれた場合でも、ブリッジ回路の中点電位Ｖ１とＶ２は正負同じ方向に変化し、ブリッジ回路の出力電圧はほとんど変化しない。

図８は、図７の回路構成による電流センサと電線９との相対的な位置ずれ誤差の測定結果例図である。図８において、横軸は電線９と電流センサとの相対的な位置ずれ距離を示し、縦軸は測定誤差の大きさを示している。本測定にあたっては、磁気センサ素子８ａ〜８ｄとしてナノグラニュラ膜と軟磁性薄膜からなる磁気抵抗素子を用い、隣り合う磁気センサ素子間の直線距離を２３ｍｍとし、計装アンプＡＭＰの出力電圧を測定した。

図８の測定結果によれば、本発明に基づく電流センサの測定誤差は、相対位置が５ｍｍずれた場合でも１．５％以下であるが、１個の磁気センサ素子のみで測定した場合には、相対的な位置が５ｍｍずれると測定誤差は１９．８％になっている。

このことより、相対的な位置が５ｍｍずれた場合における測定誤差が１／１３に低減されることが明らかである。すなわち、本発明に基づく電流センサは、位置ずれ誤差を低減する効果を有するものである。

本発明に基づく電流センサに地磁気のような一様な磁界が印加された場合、４つの磁気センサ素子８ａ〜８ｄにはその磁界の大きさとバイアス磁界方向に応じた磁気特性の変化が生じ、ブリッジ回路内では各磁気センサ素子８ａ〜８ｄにおける電圧降下の大きさが変化する。それらの電圧降下の大きさの変化により、図５中のＶ１とＶ２の各中点電位が正負同じ向きで同じ大きさで変化し、ブリッジ回路の出力電圧の変化はほとんど生じない。

また、本発明の電流センサにおいて、周囲の温度が変化した場合、磁気センサ素子の磁気特性が変化する。その場合、すべての磁気センサ素子の磁気特性の変化は同一方向に変化し、図５中のＶ１とＶ２の各中点電位が正負同じ向きで変化し、ブリッジ回路の出力電圧の温度変化によるオフセットはほとんど生じない。

なお、上記実施例では、磁気センサ素子として、ナノグラニュラ膜と軟磁性膜からなる磁気抵抗素子を用いる例を説明したが、これに限るものではなく、磁界の印加に対して電気的抵抗が変化する異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ）などの磁気抵抗素子や、磁界の印加に対して電気的インピーダンスが変化する軟磁性材料により構成されるアモルファスワイヤあるいは薄膜からなる磁気インピーダンス素子などを用いることができる。

また、上記実施例では、永久磁石として、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウム・コバルト磁石を用いる例を説明したが、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石や、酸化鉄を主成分とするフェライト磁石、アルミニウムとニッケルとコバルトと鉄を主成分とするアルニコ磁石、鉄とクロムとコバルトを主成分とする磁石などを用いてもよい。

また、上記実施例では、磁気センサ素子８にバイアス磁界を印加するのにあたり、永久磁石１０で印加する方法を説明したが、磁気センサ素子の感磁方向に対して所定の大きさのバイアス磁界が印加されればよく、永久磁石の位置や個数については実施例に限るものではない。

図３の実施例では、必要なバイアス磁界強度が２０Ｏｅ程度であったため、永久磁石１０を非磁性のセンサ基板１１に直付けしたが、数Ｏｅ程度の低バイアス磁界を印加する場合には、図９に示すように軟磁性材で構成された取付部材１４を介して非磁性のセンサ基板１１に取り付ければよい。図９の実施例では、永久磁石１０の両磁極面の少なくとも一部を取付部材１４で覆うことにより両磁極面を連結した状態でバイアス磁界を印加する。

図１０も本発明の他の実施例を示す構成説明図である。（Ａ）〜（Ｃ）は非磁性スペーサを設けない構成であって、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は底面図である。（Ｄ）〜（Ｆ）は非磁性スペーサを設けた構成を示すもので、（Ｄ）は上面図、（Ｅ）は側面図、（Ｆ）は底面図である。

図１０（Ｂ）において、非磁性材料よりなるセンサ基板１１の一方の面（上面）には感磁素子８がその磁極方向が感磁方向Ａに対して平行になるように配置されていて、その両端には配線パッド１２、１３が設けられている。他方の面（下面）にはコの字形に成形された軟磁性構造体１４の連結部１４ａが固着されていて、軟磁性構造体１４の開口部１４ｂにはバルク磁石１０の両磁極の磁界方向が感磁方向Ａに対して同一で平行な状態になるようにバルク磁石１０の両磁極面の一部が嵌め合わされている。

図１０（Ｅ）において、センサ基板１１と軟磁性構造体１４の連結部１４ａとの間には非磁性材料よりなるスペーサ１５が設けられている。

ここで、感磁素子８は、印加磁界に対する出力特性が線対称となる特性を持つものとする。バルク磁石１０は感磁素子８に対してバイアス磁界を印加するように機能し、軟磁性構造体１４はバルク磁石１０の両磁極面の少なくとも一部を覆うことによりバルク磁石１０の両磁極面を連結するように機能する。

図１１も本発明の他の実施例を示す構成説明図である。図１１（Ｂ）において、非磁性材料よりなるセンサ基板１１の一方の面（上面）には感磁素子８がその磁極方向が感磁方向Ａに対して平行になるように配置され、その両端には配線パッド１２、１３が設けられている。他方の面（下面）には、バルク磁石１０の両磁極の磁界方向が感磁方向Ａに対して同一で平行な状態を維持するように図１１（Ｂ）の状態から軟磁性構造体１４を９０°回転させた状態で、コの字形に成形された軟磁性構造体１４の連結部に隣接する一方の側面部が固着されていて、軟磁性構造体１４の開口部にはバルク磁石１０の両磁極面の一部が嵌め合わされている。

図１１（Ｅ）において、センサ基板１１と軟磁性構造体１４の連結部との間には非磁性材料よりなるスペーサ１５が設けられている。

図１２も本発明の他の実施例を示す構成説明図である。図１２（Ｂ）において、非磁性材料よりなるセンサ基板１１の一方の面（上面）には感磁素子８がその磁極方向が感磁方向Ａに対して平行になるように配置されていて、その両端には配線パッド１２、１３が設けられている。他方の面（下面）には、バルク磁石１０の両磁極が感磁方向Ａに対して同一の磁界方向で平行な状態を維持するように図１２（Ｂ）の状態から軟磁性構造体１４を１８０°回転させた状態でバルク磁石１０の端面が固着され、磁性構造体１４の連結部は底面として露出している。

図１２（Ｅ）において、センサ基板１１と軟磁性構造体１４の連結部との間には非磁性材料よりなるスペーサ１５が設けられている。

図１３も本発明の他の実施例を示す構成説明図である。図１３（Ｂ）において、非磁性材料よりなるセンサ基板１１の一方の面（上面）には感磁素子８がその磁極方向が感磁方向Ａに対して平行になるように配置され、その両端には配線パッド１２、１３が設けられている。他方の面（下面）には、バルク磁石１０の両磁極の磁界方向が感磁方向Ａに対して直交するように、コの字形に成形された開口部にバルク磁石１０の両磁極面の一部を嵌め合わせた軟磁性構造体１４が、図１３（Ｂ）の状態から反時計方向に９０°回転させた状態で配置されている。

これら図１０から図１３の構成によれば、バルク磁石１０と軟磁性構造体１４の配置方法が異なるため印加磁界強度はそれぞれ異なるものの、バルク磁石１０単体を用いた際の磁界と比較して弱められたバイアス磁界が印加されることになる。

図１４は、非磁性スペーサ１５の効果を確認するための磁気検出装置の構成説明図である。なお、感磁素子８としてナノグラニュラ膜と軟磁性薄膜からなるトンネル磁気抵抗素子を用い、非磁性スペーサ１５として厚さ０．５ｍｍの石英板を用いている。また感磁素子８が形成されるセンサ基板１１の厚さも０．５ｍｍである。

図１５も本発明の他の実施例を示す構成説明図であって、図１の電流センサの基板７を切溝７ａの長手方向に沿って短縮したものであり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図１５において、基板７上には、４つの磁気センサ素子８ａ〜８ｄが、被測定電流が流れる電線９を中心とした円周上であってその感磁方向がその円の接線方向を向くとともに、切溝７ａの長手方向を短辺とし、電線９を中心とする円に内接する長方形の各頂点に配置されている。バイアス磁界の印加や検出回路などについては、図１と同じである。

図１５の構成によれば、磁気センサ素子８ａ〜８ｄの配置を変更することで基板長さＬを図１よりも短くでき、結果として、電流センサを小型化できる。これにより、分電盤内などの電流センサの設置スペースが小さい場所での電流測定が容易になる。

図１６も本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、電線９の断面形状が矩形のバスバーの例を示している。図１６において、基板７は、被測定電流に対して垂直な面とその基板面とが平行になるように設置されている。基板７上には、４つの磁気センサ素子８ａ〜８ｄが、被測定電流が流れる電線９の周囲に楕円状で、その感磁方向がその楕円の接線方向を向くとともに、その楕円に内接する長方形の各頂点に位置するように配置されている。楕円の円周に沿って隣り合う磁気センサ素子同士のバイアス磁界の向きは、その楕円の円周に沿って互いに逆向きに配置されている。なお、バイアス磁界の印加方法および検出回路は、図１の実施例と同じである。

バスバーに流れる電流を測定する場合、発生する磁界は楕円状を描く。そのため、磁気センサ素子８ａ〜８ｄを図１で示したように円形に配置した状態では、感磁方向が発生磁界の方向に接しないため、電流の検出感度が小さくなるという問題がある。そこで、図１６に示すように磁気センサ素子の配置を楕円状に変更することで、バスバーから生じる磁界を感度よく測定できる。

以上説明したように、本発明によれば、低消費電力で高感度特性を有し、小型かつ簡素な構造で、位置ずれ誤差を低減できるとともに比較的安価な磁気センサ素子を用いた電流センサが実現できる。

７基板
８ａ〜８ｄ磁気センサ素子
９電線
１０永久磁石
１１センサ基板
１２、１３配線パッド
１４軟磁性構造体
１５非磁性スペーサ

Claims

磁界の大きさを電気的信号に変換して出力する磁気センサ素子を用いた電流センサにおいて、
磁気特性曲線が線対称形の４つの磁気センサ素子により形成されたブリッジ回路と、
前記各磁気センサ素子に対してバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段とで構成され、
前記磁気センサ素子は、被測定電流に対して直交する面内に配置されていることを特徴とする電流センサ。
前記磁気センサ素子は、磁界の印加に対して、
電気的抵抗が変化する磁気抵抗素子あるいは電気的インピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ
前記バイアス磁界印加手段は、少なくとも永久磁石を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
前記磁気センサ素子は、非磁性体よりなるセンサ基板上に実装されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載された電流センサ。